Alter Motor mit großer Zukunft

Weshalb sich der Stirlingmotor nach seiner Erfindung Anfang des 19.Jahrhunderts nicht durchsetzte, konnten drei Gymnasiasten aus Gardelegen nicht verstehen. Heute zeigen sie die Ergebnisse ihrer Experimentierreihe beim Landeswettbewerb "Jugend forscht" in Magdeburg.

Gardelegen l "Es ist erstaunlich und interessant, was die Jungs bei ihren Experimenten alles herausgefunden haben", sagt Konrad Hammer. Der ehemalige Lehrer für Mathematik, Physik und Informatik am Gardeleger Gymnasium bewundert die Akribie, mit der drei Zwölftklässler die genaue Untersuchung des Stirlingmotors vorangetrieben haben. Er steht den jungen Männern als Mentor zur Seite. "Stirlingmotor - Der Motor der Zukunft" heißt das Projekt, mit dem Malte Schop, Toni Scholz und Til Koke am Regionalwettbewerb "Jugend forscht und Schüler experimentieren" im Februar in Stendal teilgenommen hatten. Beurteilt und ausgezeichnet wurden sie dort von der Jury als bestes, interdisziplinäres Projekt, und zusätzlich bekamen sie den Sonderpreis für Umwelttechnik. Damit hatten sie sich für den Landeswettbewerb, der heute in Magdeburg stattfindet, qualifiziert.

Stirlingmotor hat wesentlich höheren Wirkungsgrad

Im September 1816 meldete Robert Stirling in Schottland ein Patent für eine Heißluftmaschine an, die später als Stirlingmotor bekannt wurde. Das Erstaunliche an diesem Motor: Er hat einen wesentlich höheren Wirkungsgrad als beispielsweise die Dampfmaschine, die zur etwa gleichen Zeit entwickelt wurde. Lediglich zehn Prozent der eingesetzten Energie kann effizient genutzt werden. Beim Stirlingmotor sind es sage und schreibe 40 Prozent. An diesem Punkt ihres Physikunterrichtes wurden Malte Schop, Toni Scholz und Til Koke stutzig. In Anbetracht der umwelttechnischen Entwicklungen, der Suche nach Ressourcen zur Energiegewinnung und effizienten Nutzung setzten sie sich zusammen, um den Stirlingmotor mal ganz genau unter die Lupe zu nehmen. Erste Erkenntnis: "Warum der Motor sich nicht durchgesetzt hat, konnten wir uns nicht erklären. Es ist eine einfache Technik mit relativ wenig Verschleiß und umweltfreundlich", erklärt Malte Schop. "Außerdem wurde er entwickelt, um hohe Drücke, wie sie bei Dampfmaschinen entstehen, zu vermeiden. Er hat keine Teile bei denen ein Überdruck entsteht, was bei den Dampfmaschinen früher oft zu Explosionen führte", fügt der 19-Jährige hinzu.

Also bauten die drei Gymnasiasten ihre eigenen Modelle eines Stirlingmotors. Aus Holz, mit beweglichen Teilen, entstand ein Demonstrationsobjekt, anhand dessen sie die Funktion des Motors erklären können. Technische Unterstützung in Form von feinmechanischem Werkzeuge konnte Ingo Diermeier zur Verfügung stellen. Der Opa von Toni Scholz hat einst Uhrmacher gelernt und seine kleine Werkstatt ist als Arbeitsraum nahezu perfekt ausgerüstet. Schließlich galt es für das Funktionsmodell auf zehntel Millimeter genaue Bohrungen und feinst geschliffene Kanten zu setzen.

Dem Modellbau folgten unzählige Versuchsreihen, die Malte Schop, Til Koke und Toni Scholz akribisch dokumentierten. So haben sie herausgefunden, dass nicht jeder Brennstoff zu gleichen Ergebnissen führte. Und selbst bei dem augenscheinlich gleich ausgewiesenen Spiritus kam es zu Schwankungen in den gemessenen Daten.

Luftdruck beeinflusste die Messreihen

Während einer Versuchsreihe, die über mehrere Tage lief, hatten sie einmal keine schlüssige Erklärung für unterschiedliche Ergebnisse. Ergo: Es musste am Luftdruck liegen. Seither lag immer auch ein Barometer auf dem Experimentiertisch. Und es zeigte sich, dass der Luftdruck tatsächlich eine beeinflussende Größe für die Effizienz des Motors ist.

Die ohnehin vergleichbar hohe Effizienz wollten die drei dennoch erhöhen. Sie bauten eine Art Schornstein, der über der Flamme, die einen mit einem Kupferring ummantelten Glaskolben erwärmt, gestellt wird. "Dadurch wird unter anderem die Flamme unter dem Glaskolben fixiert. Der Kupferring gehört auch nicht zur Originalkonstruktion. Kupfer leitet aber besser als Glas. Also haben wir die beiden Materialien kombiniert", erklärt Toni Scholz. Ergebnis: Es funktioniert in messbaren Daten besser.

Die Abwärme im Schornstein wollten die jungen Forscher wiederum nutzen. Sie entwickelten unterschiedliche Thermoelemente, die sie sowohl außen als auch innen anbringen können. Zwischen diesen Elementen baut sich Spannung auf, die sie wiederum als Strom ableiten können.

Stirlingmotor ist in vielen Bereichen einsetzbar

Außer im Auto lässt sich der Stirlingmotor in vielen Bereichen verwenden, sind sich Malte Schop und Toni Scholz einig und ganz sicher. Til Koke hatte sich zwischenzeitlich aus dem Projekt zurückgezogen, um sich mehr dem anstehenden Abitur zu widmen. Als Beispiel für praktische Anwendungen, die es zum Teil bereits gibt, nennt Malte Schop Eigenheime. Selbstverständlich - und sogar im größeren Rahmen - nutzbar gemacht werden kann die Abwärme großer Schornsteine, wie etwa bei Kraftwerken. Auch daraus kann man Strom gewinnen.